CN107709718A - 用于排气系统中的混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种静态混合器(1)，用于内燃机的排气系统中并将添加剂混合到排气系统中。所述混合器(1)包括环绕中心轴X的管状壳体(2)。所述壳体(2)包括位于中心轴X一端的入口开口(31)以及位于相反端的出口开口(32)，其中所述入口开口(31)用以将添加剂注入到排气系统中。在入口开口(31)所在的区域以及在出口开口(32)所在的区域，所述壳体(2)在围绕中心轴X的圆周方向上闭合。静态混合器(1)被设计为产生很小的反压力以保证快速和实现还原剂的准备，并与此同时抵抗生产公差。为此目的，壳体(2)形成有与XY平面相关且与混合器(1)的中心轴X相平行的管状部(21)，且与位于XY平面下游的主流动方向S相垂直。所述管状部(21)设有相较于中心轴X位于径向上的且作为穿孔的若干开孔(4)。壳体(2)还形成有位于XY平面下游的管状部(22)，所述管状部(22)设有一个凹口(5)以及位于该凹口(5)内的若干导向板(51)。

Description

用于排气系统中的混合器
技术领域
本发明涉及一种静态混合器，用于内燃机的排气系统中并将添加剂混合到排气系统中；还涉及一种由混合器以及一个排气系统中的初始转换器的至少一个壳体部所组成的系统。所述混合器包括环绕中心轴X的管状壳体。所述壳体包括位于中心轴X一端的入口开口以及位于相反端的出口开口，其中所述入口开口用以将添加剂注入到排气系统中。在入口开口所在的区域以及出口开口所在的区域，所述壳体在围绕中心轴X的周向上闭合，例如边缘保持闭合，这与圆周闭合边缘上可能出现的穿孔无关。
背景技术
这种类型一致且用于废气导引以及废气后处理中的混合器是现有技术中常见的。
在DE 20 2007 010 324 U1中描述了一种在中心轴X上下两端开口的混合管。在管内没有布置导向元件或混合元件。
DE 10 2012 021 017 A1揭示了具有静态混合器某些特性的排气系统。该排气系统包括具有纵轴的溢流管。该溢流管具有一个壳体表面和一个初始的、紧流端，其中在靠近紧流端的壳体表面上设有一个径向入口开口。溢流管通过它的紧流端以及入口开口容纳在初始废气导向元件中。通过喷嘴可将注入单元的还原剂引入第一废气导向元件中。
在DE 10 2011 120 685 A1中，车辆的排气管被描述为具有入口。通过该入口，可以使用喷嘴将还原剂引入尾气后处理中，其中在入口的下游设置混合装置将还原剂与废气进行混合。
在DE 11 2012 000 035 T5中描述了一种在废气中加入水性还原剂溶液以进行混合的装置，其中用以混合水性还原剂溶液的装置布置在用以收集废气中颗粒物的过滤器以及用以减少废气中的氮氧化合物的还原催化剂之间。
发明内容
本发明是基于创造和安排一种静态混合器，其能够产生很小的反压力，以保证快速实现降低还原过程，并与此同时抵抗生产公差。
本发明的目的在于提供这样一种壳体，其中与XY平面相关的所述壳体设计为与混合器的中心轴X平行且与主流动方向S垂直，以形成位于XY平面上游的管状部，所述管状部(21)设有相较于中心轴X位于径向上的且作为穿孔的若干开孔；以及形成位于下游或者在主流动方向S上位于XY平面下游的管状部，所述管状部设有一个凹口以及位于该凹口内的若干导向板。
混合器的反压力通过部分混合管上的穿孔而降低，该穿孔朝向废气流方向且位于XY平面的上游。特别是，当废气从XY平面前后两侧进入混合器时是有利的。在位于XY平面下游的混合器的管部中，将单独制作的导向板插入壳体中。在凹口的上方和下方，壳体具有围绕中心轴X的圆周方向的闭合边缘。
这种混合器发明能够供给液体及/或气体形式的添加剂。
除非另有说明，轴向、径向以及圆周方向参考的是混合器的中心轴。
这对于实现还原剂的准备是有利的：所述导向板沿轴向间隔距离ax连续布置且沿径向偏置距离az。径向对应于方向Z，其垂直于XY平面。这种楼梯般的布置也有利于简单的生产公差因为每个导向板可以单独插入。
关于还原剂的充分混合，这是有利的：如果导向板覆盖下游管状部的流动截面的80％至100％。这里，导向板沿径向延伸且轴向不重叠的面积的总和形成流动截面的80％至100％。
这也是有利的：由于导向板上的热负载，导向板并不唯一由平直的金属片构成，也可以选择性的由波纹状/波浪状及/或角状金属板构成。所述导向板插入壳体中并与壳体积极接合。这种积极接合防止了废气流中导向板的轻拍。波浪状及/或角状对于导向板中与温度相关的长度变化的补偿是有利的。
这里，这也是可能并且有利的：所述导向板被布置成相互平行且垂直于中心轴X或者垂直于注入方向。在与中心轴X成直角排列的情况下，注入流平行于中心轴X。在设计示例中，如果注入流不平行于中心轴X，则导向板可以与中心轴X成直角，也可以与注入方向成直角。
这对于低反压力可以是尤其重要的，如果在下游管状部上进一步设有靠近凹口且形成穿孔的若干开孔。这些穿孔位于所述壳体或壳体的边缘被关闭的区域中。通过上游管部的穿孔和下游管部的穿孔，废气经过混合器时所产生的反压力可以根据混合器的装配情况来降低。
根据本发明所设计和布置的内容，这也许是有利的：壳体沿轴向至少在穿孔区域以及穿孔区域的下游具有恒定的壳体截面Q2。管状壳体在制造时比较容易和便宜。
关于简单几何，这也是有利的：入口开口的流动截面与出口开口的流动截面相同或者更小。这创建了与管的属性相类似的属性。在特殊的应用中，入口和出口处两个开口之间的比例可以大也可以小。圆锥形的壳体也是可能的。
此外，这样一种系统也是有利的，其中包括位于混合器上游且具有壳体部的第一转换器或者过滤器。所述壳体部被设计为用以形成流管的一个罩，其中混合器位于所述流管中并且至少部分地引导混合器周围的气流。根据本发明，流经穿孔和凹口的气流通过管壁流动，混合器的结构允许在末端部分或更确切的说在转换器或过滤器的罩中进行排列。如果转换器或过滤器位于混合器的上游以及如果转换器或过滤器位于混合器的下游，则也可以将这些转换器或过滤器通过合适的端部进行连接，因为它们的直径大于废气管道。在这种情况下，罩形成一个从转换器或过滤器逐渐向排气管倾斜的流管。
此外，这样一种系统也是有利的，其中包括位于混合器上游且具有壳体部的第一转换器或者过滤器，其中所述第一转换器或者过滤器的壳体部直接或者间接连接于混合器的壳体。所述混合器与所述转换器或过滤器的外壳形成一个构造单元，在该构造单元中，中心轴X有利地设置在与第一转换器的纵轴呈75°至90°之间的α角上。
终究，这也是有利的：混合器形成了位于穿孔下游的排气管或者位于单独的管中。混合器内的流动方向是以大约75°和90°的角度向主流动方向S运行。由于采用圆柱形结构，混合器的延伸部分可作为排气管。用作排气管的部分既没有穿孔也没有其他凹口。在壳体部之外也可以提供一个单独的管，并固定在壳体部上。
这对于混合器的使用也可能是有利的：将混合管通过排气管或者所述管向下游连接到另一转换器或者过滤器，其中引入的还原剂生效。
此外，轴向上在入口开口的正前方设有用于添加剂的注入单元也可能是有利的，其中添加剂的注入方向与中心轴X同轴或者与中心轴X成5°至90°之间的一个角度，或者添加剂可以通过混合器的入口开口引入。
最后，这对于降低反压力也是有利的：将位于混合器与壳体部之间所计算得出的开孔的截面积与流管的截面积的总和QF，与出口开口的流体截面积的比值为QV，其中QV＝QF/S32，0.5<QV<3。
附图说明
本发明其它的优势以及细节，在权利要求和说明书中加以说明且在附图中示出。附图中：
图1是参照XYZ坐标系统的混合器壳体及其几何形状的示意图；
图2是XZ平面上的混合器与随后的排气管和安装的注入单元的透视图；
图3是根据图4中混合器的剖面图的主视图，其中没有注入单元；
图4是XY平面上没有注入单元的混合器的透视图；
图5是由按照图2所示的混合器、壳体部分、DPF和DOC所组成的系统的示意图；
图6是根据图5所示的具有壳体部分的混合器的初始透视图；
图7是根据图5所示的具有壳体部分的混合器的另一透视图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的混合器1相对于笛卡儿坐标系XYZ的某些物理特性被呈现出来。混合器1的单片式壳体2沿中心轴X延伸，且具有环绕YZ平面的套筒面。该套筒面被分为两个管状部21和22。管状部21和22均与流向S基本上成直角，并在XY平面内共同形成壳体2。
壳体2具有半径r2，其根据本设计的示例，该半径在壳体2的整个长度L2上是恒定的。这个恒定半径r2意味着沿着中心轴X的方向位于相反端的入口开口31和出口开口32具有跟壳体截面Q2相同的流动截面S31、S32。
图2显示了由壳体2构成的混合器1的透视图。所述壳体2包括位于管状部22中的凹口5，其中该凹口5部分围绕管状部22。在壳体2中凹口5所在的区域内还设有若干平行于Y轴方向的导向板51。此外，这些导向板51沿中心轴X的方向偏置一个距离ax，并沿Z轴的方向偏置一个距离az。布置和几何形状，特别是管状部21、22以及导向板51在壳体2上的分段如图3所示，其中图3是沿图4中I I I-I I I‘且从上方呈现的剖视图。管状部22的流动截面S22显示为斜线区域。通过导向板51，注入的添加剂旋转并偏转到Z轴方向，并与通过开孔4和凹口5的废气流在Z轴方向进行混合。
在部分壳体2上设有横跨管状部21且作为穿孔的若干开孔4，废气流通过这些开孔4能够流入壳体2。向上，设有用以将添加剂注入废气流中且安装在壳体2上的注入单元9。向下，壳体2通过排气管11延伸。
如图4所示，在本设计的示例中，不仅在管状部21相对于凹口5的区域中有设有开孔4，而且在沿中心轴X的方向上位于凹口5之外的两个管状部21和22也设有开孔4。
图5显示了由混合器1组成的系统，该混合器1由排气管11扩展并容纳在壳体部61中。废气流经转换器6，在本示例中设计为催化转换器，进入由壳体部61组成的流管62中。壳体部61这样将混合器1封装：混合器1沿中心轴X方向被保持在两个位置P1和P2。在两个位置P1和P2，壳体部61形成用以沿着混合器1导引流体的两个流管62。更详细的如图6、图7所示，流管62中的废气流均被导入混合器1且通过流管62导向混合器1。通过靠近混合器1的流管62将位于壳体部61和混合器1之间的废气流进行导向如图6中的虚线箭头所示。通过开孔4流入混合器1的废气与最初流入混合器1的废气相混合，然后通过凹口5进入混合器1。位于混合器1部位的废气与注入的添加剂相混合。整个废气流道在混合后，从混合器的出口开口32流出并进入排气管11中。经排气管11排出后，废气流流经转换器8，在本设计示例中描述为具有纵向轴线L8的颗粒过滤器。
从转换器6流出到转换器8的进口，废气流发生了角度α在140°和160°之间的转向。为此目的，由于中心轴X相较于转换器6的纵轴L6的布置产生了初始偏转，其相互倾斜的角度β为110°。

Claims (15)

1.一种静态混合器(1)，用于内燃机的排气系统中并用以将添加剂混合到排气系统中，其中
a)所述混合器(1)包括环绕中心轴X的管状壳体(2)；以及
b)所述壳体(2)包括位于中心轴X一端的入口开口(31)以及位于相反端的出口开口(32)，其中所述入口开口(31)用以将添加剂注入到排气系统中；以及
c)在入口开口(31)所在的区域以及在出口开口(32)所在的区域，所述壳体(2)在围绕中心轴X的圆周方向上闭合；
其特征在于：
与XY平面相关的所述壳体(2)设计为平行于中心轴X且与垂直于主流动方向S，
d1)所述壳体(2)设有位于XY平面上游的管状部(21)，所述管状部(21)设有相较于中心轴X位于径向上且作为穿孔的若干开孔(4)；以及
d2)所述壳体(2)设有位于下游或者在主流动方向S上位于XY平面下游的管状部(22)，所述管状部(22)设有一个凹口以及位于该凹口内的若干导向板(51)。
2.如权利要求1所述的混合器(1)，其特征在于，所述导向板(51)沿轴向连续布置且沿径向偏置距离az。
3.如权利要求2所述的混合器(1)，其特征在于，所述导向板(51)覆盖80％至100％之间的下游管状部(22)的流动截面S22。
4.如前述任一权利要求所述的混合器(1)，其特征在于，所述导向板(51)是由平直的板、或波纹状/波浪状的板、及/或角状板构成，所述导向板(51)插入壳体(2)并与壳体(2)积极接合。
5.如前述任一权利要求所述的混合器(1)，其特征在于，所述导向板(51)被布置成相互平行且垂直于中心轴X或者垂直于注入方向。
6.如前述任一权利要求所述的混合器(1)，其特征在于，下游管状部(22)进一步还设有靠近凹口(5)且形成穿孔的若干开孔(4)。
7.如权利要求6所述的混合器(1)，其特征在于，壳体(2)沿轴向至少在穿孔区域以及穿孔区域的下游具有恒定的壳体截面。
8.如前述任一权利要求所述的混合器(1)，其特征在于，入口开口(31)具有流动截面S31，出口开口(32)具有流动截面S32，入口开口(31)的流动截面S31与出口开口(32)的流动截面S32相同或者小于出口开口(32)的流动截面S32。
9.一种系统，其包括如前述任一权利要求所述的混合器(1)以及一个排气系统中具有纵轴L6的第一转换器(6)的至少一个壳体部(61)，其中所述壳体部(61)被设计为用以形成流管(62)的一个罩，其中混合器(1)位于所述流管(62)中并且至少部分地引导混合器(1)周围的气流。
10.如权利要求9所述的系统，所述系统包括位于混合器(1)上游且具有壳体部(61)的第一转换器(6)，其特征在于，所述壳体部(61)直接或者间接连接于混合器(1)的壳体(2)。
11.如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，中心轴X与第一转换器(6)的纵轴L6之间的角度在75°至90°之间。
12.如权利要求9至11中任一项所述的系统，其特征在于，混合器(1)形成了位于穿孔下游的排气管(11)或者位于单独的管中。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，排气管(11)或者所述管向下游连接到另一转换器(8)。
14.如权利要求9至13中任一项所述的系统，其特征在于，轴向上在入口开口(31)的正前方设有用于添加剂的注入单元(9)，其中添加剂的注入方向与中心轴X同轴或者与中心轴X成5°至90°之间的一个角度，或者添加剂可以通过混合器(1)的入口开口(31)引入。
15.如权利要求9至14中任一项所述的系统，其特征在于，将位于混合器(1)与壳体部(61)之间所计算得出的开孔(4)的截面积与流管(62)的截面积QZ的总和QF，与出口开口(32)的流体截面积S32的比值为QV，其中QV＝QF/S32，0.5<QV<3。
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